V形挡板式透空堤后的波高分布数值分析

该文基于有限体积法开源软件OpenFOAM,求解不可压缩流体的连续方程和Navier-Stokes方程,建立了V形挡板式透空堤的波浪透射、绕射和越浪的三维数值波浪水池模型。控制体采用三维长方体,结构物周围进行了网格加密。在将数值计算结果与实验结果比较后验证了数学模型的准确性基础上,对60°夹角V形挡板式透空堤后的波高分布进行数值模拟,分别计算了竖板顶部高出静水面时仅有透浪和竖板顶部位于静水面时透浪加越浪情形下,相对水深d/L对V形挡板式透空堤后波高分布的影响。计算结果表明:仅有透浪情形,相对水深对V形挡板式透空堤后的比波高分布有较大的影响,V形挡板式透空堤对较短周期的波浪有较好的掩护效果。对比竖板相对入水深度t/d相同时仅有透浪和透浪加越浪情形,可见竖板顶部的越浪量主要影响堤后竖板附近区域的波高分布。     

波浪边界层的理论分析和实验研究

本文提出了在波浪的底部波动边界层的综合分析,利用雷诺方程在某些简化条件下,导出了波浪紊流边界层的运动微分方程式及断面流速分布公式。此外,作者采用了光电调制反馈原理将一维多普勒测速仪进行了改造,形成了一新的光电调制反馈激光多普勒测速系统(OEMF—LDA),使之能对波浪场的瞬间流速及其相位进行同步测量。本文通过大量水槽实验,包括利用OEMF—LDA系统对波浪断面流速分布进行量测,获得了大量资料。利用这些资料与断面流速分布公式进行比较,二者符合良好。     

桩基挡板式透空堤透浪系数计算及试验研究

在威格尔对直板透浪系数研究基础上,采用微幅波理论并结合不同透空堤结构尺寸(挡浪板宽度与挡板间距之和D,桩基的宽度b及挡浪板间距△D组合)推导透空堤透浪系数计算公式.并基于广东新港荔枝湾防波堤模型试验,研究了挡浪板的相对入水深度、挡浪板间距、不同波浪重现期对透浪系数的影响,验证了理论推导透浪系数计算公式的合理性,计算了波浪条件d/L≤0.245和t/d=0.35～0.78范围内的透空堤透浪系数,为确定合理的透空式防波堤结构提供设计依据.     

活动式导流板导流效果研究

为优化导流装置设计并提供技术参数,采用水槽模型试验的方法对不同入水深度、不同入流角度下导流板的导流效果进行了分析.认为:导流板的入流角度以30°～60°为宜;入水深度比应为0.4～0.5.     

新型浮式防波堤消浪效果试验研究

通过一系列物理模型试验,研究一种新型(凹菱形)浮式防波堤的透浪系数,并与现有的浮箱式、废旧轮胎式、浮筏式等浮式防波堤进行对比。这种新型浮式防波堤的一个显著特点是在底部增加了阻尼,增加了波浪的能量消耗,从而减小了防波堤的透浪系数改善了其消浪效果。分析影响浮式防波堤透浪系数的主要因素为防波堤的相对宽度和相对水深。通过波浪水槽内的系列试验,研究两者对新型浮式防波堤透浪系数的影响,并给出临界透浪系数(C t=0.5)与两者的关系。在实际工程的设计和应用阶段,各种参量是相互影响的,讨论了波浪透射系数与各参数之间的关系。该浮式防波堤的消浪效果良好,为浮式防波堤的推广应用提供参考。     

沉水植物对河道曼宁系数影响的实验研究

该文在实验室水槽中利用三维声学多普勒流速仪(ADV)和波高仪测定水流流速和波浪高度,以此数据研究了河道水生沉水植物对曼宁系数的影响。实验利用人造植物模拟自然植物,研究结果表明沉水植物对水流结构、阻力特性存在显著影响。在分析曼宁系数的变化规律之后提出了新的半经验方程,用以预测不同植物密度、不同波流条件下曼宁系数的变化。曼宁系数主要和植物密度和水流流速有关,同时受波浪的影响。新的方程对曼宁系数的拟合效果良好。     

波浪与透空式水平板相互作用数值模拟研究

基于计算流体动力学软件Flow3D,建立了模拟规则波与透空式水平板相互作用的三维数值波浪水槽。将数值模拟结果与实验资料进行了对比验证,结果表明,所建三维数值波浪模型能准确计算出作用在平板上的波浪浮托力,并能很好地模拟出波浪遇平板发生的波面流场变化及作用在平板底部压强分布变化。将模型应用于计算作用在海洋平台主船体底部波浪浮托力,所得结果可为工程设计提供参考依据。     

黏性波浪场与半潜平台相互作用的数值模拟

以N-S方程为控制方程,采用动量源方法,结合追踪自由面的VOF方法,基于FLUENT求解器,建立了同时具有造波和消波功能的数值波浪水槽.利用该数值水槽对黏性波浪场与半潜平台的相互作用问题进行了数值模拟,获得了黏性波浪场作用下半潜平台水动力载荷及其立柱表面波浪爬高的时历特性.研究表明,利用所建立的数值波浪水槽来研究黏性波浪场与深海平台非线性相互作用是一条有效的途径.     

杭州湾海域桥梁承台水平方向波浪荷载研究

针对杭州湾海域跨海桥梁承台最大水平方向波浪荷载缺乏普适性计算公式的问题，收集分析了杭州湾海域波浪特性及主要跨海桥梁通航孔桥墩承台尺寸特征。通过矩形概化承台，构建了三维数值波浪水槽模型，根据承台水平方向波浪荷载系列数值计算结果，提出了适用于跨海桥梁承台最大水平方向波浪荷载的简易计算方法，且讨论了计算方法对不同形状承台和不同流速等情况的适用性。结果表明：承台水平方向波浪荷载计算方法的计算结果和前人研究成果基本一致；受承台阻水作用，矩形承台水平方向波浪荷载大于圆形承台，通过修改公式参数，计算方法也可以用于不同形状承台水平方向波浪荷载计算；随着流速增加，承台水平方向波浪荷载也在逐渐增加，承台水平方向波浪荷载随承台相对长度kb的变化规律与纯波情况基本类似，但最大水平方向波浪荷载对应的kb有所减小。     

柔性浮式防波堤消浪特性研究

针对圆柱形柔性浮式防波堤的消浪效果展开断面试验研究,分析其在规则波和不规则波作用下的消浪特性。通过大量水槽试验给出了圆柱形柔性浮式防波堤透射系数、反射系数、衰减系数与锚固方式、试验水深、相对宽度的变化关系。研究结果表明:该结构形式的浮式防波堤对短周期波浪消浪效果明显,而对长周期波浪消浪效果不佳;锚固方式和水深对消浪效果的影响较小;相对宽度是影响消浪效果的主要因素。研究成果可为由该结构连接成的"V"形浮式防波堤的锚固方式和摆放角度的设计提供参考。     

改进的非线性波传播数值模型的验证和应用

基于吸收入射边界上反射波的方法,并通过将统一边界条件表达式推广到适应不规则波的情况,改进了非线性波传播的数值模型.将利用模型的线性版本(略去非线性项)所计算得到的台阶地形上波浪的反射和透射系数与相应的解析解进行了定量比较.在斜坡地形上数值模拟了不规则波的传播,并将数值结果和物理模型实验值进行了比较.在下游边界分别为开边界和全反射边界的等水深的水槽内数值模拟了不规则波的传播变形,讨论了非线性作用的影响.在侧边界和下游边界均为全反射的固壁边界、二维的等水深水域内,数值模拟了波浪斜向入射时所产生的波浪变形.计算结果表明,对上述各种算例,改进后的非线性波传播数值模型均能进行有效地数值模拟.     

多层水平板衰减波浪的影响因素分析

基于线性波浪理论,进行多层水平板对波浪的反射和透射作用研究。通过分解速度势为对称势和反对称势,结合特征函数展开法,在考虑水平板厚度的条件下由匹配条件确定速度势展开式中的待定系数,进而得到结构对波浪的反射系数和透射系数。所得结果与现有相关的理论解、数值解以及试验结果吻合较好。对相对水深、相对宽度、相对厚度以及水平板层数等对结构衰减波浪的影响进行了深入探讨和分析,给出了反射系数和透射系数随上述参数的变化规律。     

Design formulas of transmission coefficients for permeable breakwaters

New empirical formulas of the transmission coefficient for permeable breakwaters were suggested based on available experimental data regarding the low-crest structure(LCS), including the permeable rubble mound breakwater and pile-type breakwater. The rationality of the present formulas was verified by their comparison with existing empirical and analytical formulas. Numerical flume results were obtained by solving the modified Boussinessq-type wave equations(MBEs), and a new expression relating the friction coefficient α to the relative submerged depth t sR H was also derived. Comparative analysis shows that the results of the present formulas agree with the numerical flume results as well as available experimental data, and the present formulas are superior to the existing empirical and analytical expressions in estimating the transmission coefficient. The present formulas can provide references for estimation of the transmission coefficient in engineering practice.     

EXPERIMENTAL STUDY ON A NEW KIND OF OPEN TYPE BREAKWATERS

A new kind of open type breakwaters was proposed based on the concept of wave energy conversion. The excellent feature of the structure is that it can absorb and utilize the wave energy to dissipate waves. The effects of some factors, such as the configuration insides, the geometrical parameters and the relative width (the ratio of the width to the wave length), on the performance of the breakwater were discussed based on a series of regular wave tests in the wave flume. The hydrodynamic characteristics of the new open type breakwater were analyzed in detail, and the structure was optimized to improve the performance of the breakwater to effectively dissipate the waves with long period. The variation of the coefficients of wave transmission and reflection along with attenuation with respect to relative width was examined. The results of the physical model tests indicate that the transmission coefficient significantly decreases by about twenty percent at the range of relative width from 0. 1 to 0.2, compared with the traditional open type breakwaters.     

规则波作用下潜堤透浪系数数值模拟

潜堤透浪系数是衡量潜堤削弱波浪能力的主要指标。基于Boussinesq型方程的MIKE21-BW模型建立波浪数值水槽,进行规则波作用下潜堤透浪系数的数值模拟。根据Dingemans物理模型试验结果对BW模型进行参数率定和验证,验证结果良好。在此基础上,进一步分析了影响潜堤透浪系数的无因次影响参数,包含相对淹没深度、波陡、相对堤顶宽度、斜坡堤坡度等,研究不同因素组合情况下潜堤透浪系数的变化规律。建立了规则波作用下潜堤透浪系数的计算式,应用MATLAB数学软件对式中的系数进行拟合,拟合式计算值与BW模型计算值相关系数为0.858,相关性较好。另外,将拟合式与杨正己公式进行比较,并分析数据的差异与原因。研究表明:MIKE21-BW模型可以进行规则波作用下潜堤透浪系数的数值模拟。     

规则波作用下刚性植物拖曳力系数实验研究

植物的消波特性能有效防止波浪冲刷所造成的岸线侵蚀。在开展根茎叶共同作用下的刚性植物消波实验的基础上,采用Kobayashi和Dalrymple经验公式计算本实验植物模型的拖曳力系数,探究了拖曳力系数变化规律。通过对比分析两种经验公式计算所得的拖曳力系数,发现采用Kobayashi消波模型对于本实验中刚性植物消波模拟效果更好。根茎叶均在不同程度上对于植物消波特性产生影响。拖曳力系数与邱卡数、雷诺数、厄塞尔数及相对水深之间的关系依赖于植物淹没度。针对包含根茎叶的刚性植物,考虑植物摆动因素,对波能耗散方程中阻力项进行修正,提出改进的消波模型。     

ANALYTICAL STUDY OF WAVE MAKING IN A FLUME WITH A PARTIALLY REFLECTING END-WALL

Based on the eigenfunction expansion technique, the wave generation by a piston wave maker in a wave flume with a partially reflecting end-wall is studied. The corresponding velocity potential and wave elevation in the flume are obtained. The present analytical solution is verified by the numerical results obtained from a time-domain higher-order boundary element method in a closed flume. Numerical experiments are further carried out to study the difference between the partial/full reflection boundary and the transmission boundary and the effects of the reflection coefficient and the motion period of the wave maker on the wave height. Meanwhile, the natural frequency of the wave flume can be obtained from the analytical expression. The resonance occurs when the motion frequency is equal to the natural frequency. Even the partial reflection of the end-wall in the wave flume experiments has a great influence on the wave height, therefore, inaccurate measurements would be resulted in long-time simulations, especially when the wave frequency approaches the wave flume natural frequency. The present study can serve as a guidance for the physical experiment in wave flumes.     

连续微弯弯道水力特性试验及模拟研究

为了研究河流的连续微弯弯道水力特性,通过建立曲折系数为1.07的连续弯道模型进行试验,并利用Reynolds应力模型进行模拟计算,从水面线、流速场、弯道环流及强度等方面研究了小曲折系数连续弯道水力特性。结果表明:Reynolds应力模型能够较好地模拟连续弯道水流;在同一断面,近凸岸的纵向流速垂线分布接近对数流速分布,近凹岸的纵向流速垂线分布呈随相对水深增大而先增大后减小的规律,呈现“凸肚”形;在弯道环流方面,呈现非对称的双环流结构;水面和槽底处的环流强度大于水体中部,凹岸的环流强度大于凸岸的环流强度。成果为研究小曲折系数弯道的河流水力特性提供了借鉴与参考。     

双色波数值模拟的造波方法研究

为了使数值波浪水槽模型能够精确简便地代替物理模型,并为港口海洋工程及内河工程提供重要的数据支持,基于不可压缩黏性流体的N-S方程和VOF方法,运用软件FLUENT建立数值水槽。通过对软件的二次开发,进行推波板造波方法的波浪数值模拟。将物理模型实验中的Sch?ffer二阶造波理论运用于波浪数值模拟,实现基于二阶推波板造波法的双频波数值模拟。在此造波基础上,开创性地模拟出变化地形下波浪的相互作用,体现出其非线性作用。研究结果显示:(1)将各工况得出数据分别与理论值和实验值进行对比验证,表明所用方法有较好的精确性;(2)通过双色波相互作用后的频域分析得出其适用范围为0.1h/L0.5。推波板造波法模拟的数值波浪有着较好的非线性和精确性,可以在一定条件下代替物理实验。